Генерация и динамика магнитного поля Холла при суб-Альвеновском разлете плазмы в кинетическом режиме

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе представлено комплексное исследование эффекта Холла при разлете сферического плазменного облака в среду с однородным внешним магнитным полем. Результаты были получены в лабораторном эксперименте на плазменном комплексе КИ-1 и трехмерном численном моделировании методом “частица в ячейке”. Полученные данные хорошо качественно и количественно согласуются и демонстрируют, что при разлете плазменного облака в режиме, когда Ларморовский радиус ионов RL сравним с масштабами диамагнитной каверны Rb, формируется крупномасштабная антисимметричная структура магнитных полей, вызванная Холловскими эффектами. При этом наблюдаются Холловские магнитные структуры, как внутренняя, так и внешняя. В работе демонстрируется связь Холловских эффектов с коллапсом диамагнитной каверны, протекающим как внос магнитного поля Холловскими токами электронов с аномально высокой скоростью.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Дивин

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. А. Чибранов

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Новосибирск

И. П. Парамоник

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ю. П. Захаров

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Новосибирск

А. Г. Березуцкий

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Новосибирск

В. Г. Посух

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Новосибирск

М. С. Руменских

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Новосибирск

Ю. А. Кропотина

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

И. Ф. Шайхисламов

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: a.divin@spbu.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Райзер Ю.П. О торможении и превращениях энергии плазмы, расширяющейся в пустом пространстве, в котором имеется магнитное поле // Прикладная механика и техническая физика. 1963. № 6. С. 19–28.
  2. Ripin B.H., Huba J.D., McLean E.A. et al. Sub-Alfvénic plasma expansion // Physics of Fluids B: Plasma Physics. 1993. V. 5. Iss. 10. P. 3491–3506.
  3. Ferriere K.M., Mac Low M.M., Zweibel E.G. Expansion of a superbubble in a uniform magnetic field // The Astrophysical J. 1991. V. 375. P. 239–253.
  4. Bernhardt P.A., Roussel-Dupre R.A., Pongratz M.B. et al. Observations and theory of the AMPTE magnetotail barium releases // J. Geophysical Research: Space Physics. 1987. V. 92. Iss. A6. P. 5777–5794.
  5. Метелкин Е.В., Сорокин В.М. Геомагнитные возмущения, генерируемые разлетом плазменных образований // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28. № 5. С. 756–759.
  6. Rajzer Y.P., Surzhikov S.T. Magnetohydrodynamic description of collisionless plasma expansion in the upper atmosphere // AIAA Journal. 1995. V. 33. Iss. 3. P. 486–490.
  7. Zakharov Y.P., Orishich O.M., Ponomarenko A.G. et al. Experimental study on the efficiency of slowing-down of exploding diamagnetic plasma clouds by a magnetic field // Fizika Plazmy (in Russian). 1986. V. 12. Iss. 10.
  8. Zakharov Y.P., Antonov V.V., Boyarintsev E.L. et al. Role of the Hall flute instability in the interaction of laser and space plasmas with a magnetic field // Plasma physics reports. 2006. V. 32. P. 183–204.
  9. Nunami M., Nishihara K. Numerical analysis of laser produced plasma expansion with large ion Larmor radius via 3D PIC simulation // J. Plasma Fusion Res. Ser. 2009. V. 8. P. 815–818.
  10. Huba J.D., Lyon J.G., Hassam A.B. Theory and simulation of the Rayleigh-Taylor instability in the limit of large Larmor radius // Physical review letters. 1987. V. 59. Iss. 26. Art.ID. 2971.
  11. Huba J.D., Hassam A.B., Satyanarayana P. Nonlocal theory of the Rayleigh–Taylor instability in the limit of unmagnetized ions // Physics of Fluids B: Plasma Physics. 1989. V. 1. Iss 4. P. 931–941.
  12. Hassam A.B., Huba J.D. Structuring of the AMPTE magnetotail barium releases // Geophysical research letters. 1987. V. 14. Iss. 1. P. 60–63.
  13. Bingham R., Shapiro V.D., Tsytovich V.N. et al. Theory of wave activity occurring in the AMPTE artificial comet // Physics of Fluids B: Plasma Physics. 1991. V. 3. Iss. 7. P. 1728–1738.
  14. Huba J.D., Bernhardt P.A., Lyon J.G. Preliminary study of the CRRES magnetospheric barium releases // J. Geophysical Research: Space Physics. 1992. V. 97. Iss. A1. P. 11–24.
  15. Kellogg P.J., Bale S.D., Goetz K. et al. Toward a physics based model of hypervelocity dust impacts // J. Geophysical Research: Space Physics. 2021. V. 126. Iss. 9. Art.ID. e2020JA028415.
  16. Dimonte G., Wiley L.G. Dynamics of exploding plasmas in a magnetic field // Physical review letters. 1991. V. 67. Iss. 13. Art.ID. 1755.
  17. Collette A., Gekelman W. Structure of an exploding laser-produced plasma // Physics of Plasmas. 2011. V. 18. Iss. 5. Art.ID. 055705.
  18. Ryutov D., Drake R.P., Kane J. et al. Similarity criteria for the laboratory simulation of supernova hydrodynamics // The Astrophysical J. 1999. V. 518. Iss. 2. Art.ID. 821.
  19. Zakharov Y.P. Collisionless laboratory astrophysics with lasers // IEEE transactions on plasma science. 2003. V. 31. Iss. 6. P. 1243–1251.
  20. Winske D., Huba J.D., Niemann C. et al. Recalling and updating research on diamagnetic cavities: Experiments, theory, simulations // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2019. V. 5. Art.ID. 51.
  21. Remington B.A., Arnett D., Paul R. et al. Modeling astrophysical phenomena in the laboratory with intense lasers // Science. 1999. V. 284. Iss. 5419. P. 1488–1493.
  22. Gushchin M.E., Korobkov S.V., Terekhin V.A. et al. Laboratory simulation of the dynamics of a dense plasma cloud expanding in a magnetized background plasma on a Krot large-scale device // JETP Letters. 2018. V. 108. P. 391–395.
  23. Burdonov K., Bonit R., Giannini V. Inferring possible magnetic field strength of accreting inflows in EXor-type objects from scaled laboratory experiments // Astronomy & Astrophysics. 2021. V. 648. Art.ID. A81.
  24. Vshivkova L., Vshivkov K., Dudnikova G. 3D numerical modeling of the plasma beam expansion using the MHD-kinetic approach // J. Physics: Conference Series. 2019. V. 1336. Iss. 1. Art.ID. 012022.
  25. Lapenta G., Brackbill J.U., Ricci P. Kinetic approach to microscopic-macroscopic coupling in space and laboratory plasmas // Physics of plasmas. 2006. V. 13. Iss. 5. Art.ID. 55904.
  26. Divin A., Markidis S., Lapenta G. et al. Model of electron pressure anisotropy in the electron diffusion region of collisionless magnetic reconnection // Physics of plasmas. 2010. V. 17. Iss. 12. Art.ID. 122102.
  27. Deca J., Divin A., Henri P. et al. Electron and ion dynamics of the solar wind interaction with a weakly outgassing comet // Physical review letters. 2017. V. 118. Iss. 20. Art.ID. 205101.
  28. Deca J., Divin A., Lapenta G. et al. Electromagnetic particle-in-cell simulations of the solar wind interaction with lunar magnetic anomalies // Physical review letters. 2014. V. 112. Iss. 15. Art.ID. 151102.
  29. Brackbill J.U., Forslund D.W. An implicit method for electromagnetic plasma simulation in two dimensions // J. Computational Physics. 1982. V. 46. Iss. 2. P. 271–308.
  30. Bychenkov V.Y., Rozmus W., Capjack C.E. Single-mode nonlinear regime of Weibel instability in a plasma with anisotropic temperature // J. Experimental and Theoretical Physics Letters. 2003. V. 78. P. 119–122.
  31. Губченко В.М. Структура границы диамагнитного облака в электронном кинетическом описании при инжекции в гипербетном режиме // Сб. тр. конф. Солнечная и солнечно-земная физика. Санкт-Петербург, Россия. 2020. С. 81–84.
  32. Gubchenko V.M. Kinetic description of the 3D electromagnetic structures formation in flows of expanding plasma coronas. Part 1: General // Geomagnetism and Aeronomy. 2015. V. 55. P. 831–845.
  33. Berezutsky A.G., Chibranov A.A., Efimov M.A. et al. Sub-Alfvenic Expansion of Spherical Laser-Produced Plasma: Flutes, Cavity Collapse and Field-Aligned Jets // Plasma Physics Reports. 2023. V. 49. Iss. 3. P. 351–361.
  34. Zakharov Y.P., Antonov V.M., Melekhov A.V. et al. Simulation of astrophysical plasma dynamics in the laser experiments // Proc. AIP Conf. 1996. V. 369. Iss. 1. P. 357–362.
  35. Shaikhislamov I.F., Zakharov Y.P., Posukh V.G. et al. Laboratory model of magnetosphere created by strong plasma perturbation with frozen-in magnetic field // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2014. V. 56. Iss. 12. Art.ID. 125007.
  36. Башурин В.П., Голубев А., Терехин В.А. О бесстолкновительном торможении ионизированного облака, разлетающегося в однородную замагниченную плазму // Прикладная механика и техническая физика. 1983. Т. 24. № 5. С. 10–17.
  37. Divin A., Semenov V., Korovinskiy D. et al. A new model for the electron pressure nongyrotropy in the outer electron diffusion region // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43. Iss. 20. P. 10.565–10.573.
  38. Divin A., Semenov V., Zaitsev I. et al. Inner and outer electron diffusion region of antiparallel collisionless reconnection: Density dependence // Physics of Plasmas. 2019. V. 26. Iss. 10. Art.ID. 102305.
  39. Chibranov A.A. Shaikhislamov I.F., Berezutskiy A.G. et al. Hall Effects and Diamagnetic Cavity Collapse during a Laser Plasma Cloud Expansion into a Vacuum Magnetic Field // Astronomy Reports. 2024. V. 68. Iss. 4. P. 418–428.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Трехмерная структура облака плазмы в момент времени t/τ0 ≈ 0.86 . Показаны распределение концентрации и величины азимутального магнитного поля в соответствующей цветовой шкале. Силовые линии демонстрируют полный вектор магнитного поля. При отображении плотности плазмы непрозрачность линейно зависит от плотности

Скачать (71KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Конфигурация магнитного поля B–B0, производимого только токами каверны (а). Временнáя эволюция дипольного Iφ и тороидального Iτ токов каверны (б). Временнáя эволюция Iτ /Iφ (в)

Скачать (47KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Профили By (Холловской) компоненты в плоскости X–Z в начальную фазу расширения t = 0.29τ0 (а), в момент пика диамагнетизма t = 0.86τ0 (б), в позднюю фазу t = 1.42τ0 (в), когда происходит изменение знака Холловского поля. Стрелками показаны направление токов

Скачать (77KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Функции распределения fi (x, Vx) (а1, б1, в1), fi (x, Vz) (а2, б2, в2), магнитного поля (а3, б3, в3), тепловой гирорадиус ρth = Vth,i /Ω, инерционный гирорадиус ρin = V/Ω (а4, б4, в4) вдоль профиля в плоскости y = 0, который проходит под углом 45° к плоскости X–Y. Расстояния приведены в проекции на ось X, соответственно радиальное расстояние вдоль профиля равно

Скачать (59KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Временная развертка Bz, By и плотности плазмы в точках, обозначенных в узлах на рис. 3а. Красная линия: основное поле. Черная линия: Холловская компонента (By в плоскости X–Z). Синяя линия: плотность плазмы. Магнитное поле и плотность нормированы на B0, n0, соответственно. Для наглядности напряженность By умножена на 2

Скачать (92KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Осциллограммы основной компоненты магнитного поля: производная поля  (красные линии), азимутальной компоненты By (черные линии) и плотности тока ионов (синие линии). Направление внешнего магнитного поля величиной Bz0 = –200 Гс показано красной стрелкой. Измерения выполнены в меридиональной плоскости Z–X в квадранте RM2. Каждая ячейка таблицы соответствует определенной точке измерений относительно мишени (показана в верхнем левом углу), с координатами, отмеченными на осях X и Z. Характерный масштаб времени для условий эксперимента составляет τ0 = 19.6 см/(70 км/c) = 2.8 мкс

Скачать (103KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Магнитные измерения в разных квадрантах плоскости X–Z относительно лазерной мишени диаметром 5 мм в эксперименте с внешним магнитным полем Bz0 = –200 Гс. Красная кривая — производная основной компоненты внешнего магнитного поля. Черная, синяя, зеленая кривые — By-компонента, зарегистрированная в трех различных запусках

Скачать (54KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Пространственное распределение азимутальных полей, измеренных с помощью магнитных зондов в плоскости X–Z. Положение кружков соответствует точкам измерений в пространстве, а цвет отражает направление азимутальной компоненты (красный — в сторону наблюдателя, синий — от наблюдателя). Панели а, б — разлет ОЛП с энергией E1 ≈ 10 Дж (мишень Ø5 мм) в магнитное поле B0 = –200 Гс и B0 = +200 Гс соответственно; в, г — разлет ОЛП с энергией E2 ≈ 25 Дж (мишень Ø10 мм) в магнитное поле B0 = –200 Гс и B0 = +200 Гс соответственно

Скачать (87KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025